基于FGPA的數(shù)字密碼鎖設(shè)計(jì)

0 前言

自古以來(lái)人們對(duì)物品安全就十分重視，數(shù)字化的今天，電子鎖正在逐步取代以往的機(jī)械鎖被廣泛運(yùn)用在門禁、銀行和保險(xiǎn)柜。然而，這些基于單片機(jī)的密碼鎖可靠性較差，而且功能拓展有限。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電子鎖安全性和可靠性又提出了新的要求。本文所述的FPGA，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。由于其高集成度，使得電子產(chǎn)品在體積上大大縮減，且具有可靠、靈活、高效等特性，己備受設(shè)計(jì)師們的青睞。

1 系統(tǒng)概述

1．1 功能概述

(1)初始密碼為000000，按C鍵設(shè)置密碼，密碼設(shè)置完成后按A鍵即上鎖。
(2)以4×4鍵盤為輸入設(shè)備，按B鍵開始密碼輸入，串行輸入6位密碼，輸入完成后按#鍵，確認(rèn)密碼輸入完成。七段數(shù)碼管將顯示用戶所輸入的數(shù)字。
(3)密碼輸入正確，則開鎖指示燈滅，若密碼輸入錯(cuò)誤或位數(shù)不足，報(bào)警燈亮。
(4)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，按*鍵可解除報(bào)警。
(5)為保證安全，系統(tǒng)只有在開鎖狀態(tài)時(shí)，按C鍵，用戶才可重新設(shè)置密碼。

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以4×4矩陣鍵盤為輸入設(shè)備，七段數(shù)碼管和指示燈為系統(tǒng)的輸入顯示和輸出指示器。系統(tǒng)內(nèi)部可分為以下幾個(gè)模塊：鍵盤掃描及消抖電路、分頻電路、譯碼電路、編碼器、寄存器、比較器、控制器、計(jì)數(shù)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖1所示。

按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合或斷開時(shí)不會(huì)穩(wěn)定地接通或立即斷開，在電路上則會(huì)表現(xiàn)為連續(xù)地輸入同一個(gè)值。因此在鍵盤掃描電路里加入了鍵盤消抖程序。為使用戶能夠看到自己所輸入的密碼，將七段數(shù)碼管的顯示電路也集中到了鍵盤掃描電路內(nèi)。鍵盤掃描所用的時(shí)鐘頻率為1kHz，故將系統(tǒng)所用的1MHz的時(shí)鐘分頻為1kHz供鍵盤掃描用，以分頻模塊為例，其程序如下：


1．3 狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)(FSM)在一個(gè)有限狀態(tài)之下以目前電路所處的狀態(tài)為準(zhǔn)，一旦外加時(shí)序及輸入信號(hào)來(lái)臨，則以目前的狀態(tài)及輸入信號(hào)的變化狀況為依據(jù)，產(chǎn)生下一次的狀態(tài)及電位。狀態(tài)機(jī)是密碼鎖的主要控制部分，如圖2所示，狀態(tài)分為7種，S1：密碼修改狀態(tài)；S2：開鎖狀態(tài)；S3：閉鎖狀態(tài)：S4：密碼輸入正確狀態(tài)：S5：密碼輸入狀態(tài)；S6：密碼輸入錯(cuò)誤狀態(tài)；S7：報(bào)警狀態(tài)。

系統(tǒng)上電時(shí)，處于開鎖狀態(tài)，當(dāng)輸入change信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入修改密碼狀態(tài)；若輸入lock信號(hào)，進(jìn)入安鎖狀態(tài)，鎖閉合；在安鎖狀態(tài)，輸入start信號(hào)，進(jìn)入輸入密碼狀態(tài)；在輸入密碼狀態(tài)，由ps_i_l密碼脈沖作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，計(jì)數(shù)值輸出作為寄存器地址，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到6時(shí)，返回計(jì)數(shù)滿信號(hào)cin，如果密碼內(nèi)容和長(zhǎng)度均正確，進(jìn)入密碼初驗(yàn)正確狀態(tài)，如果密碼錯(cuò)誤，進(jìn)入密碼初驗(yàn)錯(cuò)誤狀態(tài)；在密碼初驗(yàn)正確狀態(tài)，輸入確認(rèn)信號(hào)enter時(shí)，進(jìn)入開鎖狀態(tài)；在密碼初驗(yàn)錯(cuò)誤狀態(tài)，輸入確認(rèn)信號(hào)enter時(shí)，進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)；在報(bào)警狀態(tài)，warn信號(hào)等于‘1’，如果輸入清楚報(bào)警信號(hào)off_al，則進(jìn)入安鎖狀態(tài)。以開鎖過(guò)程為例，其功能仿真波形如圖3所示。


2 系統(tǒng)功能仿真

自上而下的設(shè)計(jì)方法，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的新型設(shè)計(jì)策略，它從設(shè)計(jì)的總體要求出發(fā)。本文用VHDL語(yǔ)言以系統(tǒng)的整體輸入輸出作為頂層實(shí)體描述，然后進(jìn)行元件例化和位置映射。分別建立每個(gè)模塊的VHDL文件，最后由系統(tǒng)進(jìn)行整體的綜合和功能仿真。

2．1 系統(tǒng)軟件仿真

完成系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)后，再對(duì)頂層文件進(jìn)行編譯，然后建立Vector Waveform File，編輯輸入波形后進(jìn)行功能仿真，以密碼輸入錯(cuò)誤為例，仿真結(jié)果如圖4所示，設(shè)置密碼為279235，系統(tǒng)處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，按start鍵，開始輸入密碼8765413，密碼輸入錯(cuò)誤，則系統(tǒng)還是處于閉鎖狀態(tài)，且warn變?yōu)楦唠娖健?br />

2．2 系統(tǒng)硬件測(cè)試

系統(tǒng)硬件測(cè)試環(huán)境用的是EP2C35F672C8，它采用672引腳的BGA封裝，表1列出了該款FPGA的所有資源特性。

完成引腳分配后，通過(guò)JTAG調(diào)試接口將程序下載到芯片內(nèi)，進(jìn)行硬件測(cè)試，首先設(shè)置密碼為654321然后上鎖，以輸入錯(cuò)誤密碼為例，輸入235689然后按#}鍵，由圖4可見，閉鎖指示燈D3亮，表示未開鎖，報(bào)警指示燈D4亮，表示密碼輸入錯(cuò)誤。測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)成功。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)選用FPGA芯片、4×4矩陣鍵盤、七段數(shù)碼管為主要硬件，設(shè)計(jì)了一種低功耗、體積小的密碼鎖，并在硬件上驗(yàn)證了其可靠性。由于FPGA的靈活性，密碼長(zhǎng)度可根據(jù)寄存器個(gè)數(shù)而隨意改變，此設(shè)計(jì)在現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中將有廣泛應(yīng)用。